李 騫，喬芃喆，席 磊

(1.河南牧業(yè)經濟學院 智能制造與自動化學院，河南 鄭州 450011； 2.中國農業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100010)

1 研究背景

對于現(xiàn)代規(guī)模化養(yǎng)豬場來說，信息采集主要集中在三個方面：豬場環(huán)境信息、個體豬行為監(jiān)測及個體信息監(jiān)測[1]。一方面，豬的個人或群體行為是其健康的外在表現(xiàn)，生豬的采食、飲水、排泄等日常行為是判斷其健康的重要依據(jù)，進行監(jiān)測有助于發(fā)現(xiàn)可疑病豬。另一方面，豬場養(yǎng)殖環(huán)境是影響生豬生長以及生產經濟效益的重要因素。而目前國內的養(yǎng)殖業(yè)，通過人工觀察的監(jiān)測方式仍然占領主導地位。這種方法既耗費大量的時間和精力，數(shù)據(jù)也缺乏客觀性，不利于后期持續(xù)、精確、穩(wěn)定的進行記錄。

生豬的監(jiān)測技術分類方式有很多種。根據(jù)監(jiān)測對象不同，生豬監(jiān)測技術可以分為養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、生豬信息監(jiān)測兩大類。其中，養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測主要通過傳感器對環(huán)境中氣體排放物、生豬引水量、進食量等數(shù)據(jù)進行量化監(jiān)測；對豬個體信息的監(jiān)測是通過圖像(視頻)處理、耳標識別等方式收集豬的發(fā)情、分娩、行為、體重、聲音等日常行為數(shù)據(jù)。根據(jù)信息監(jiān)測技術進行分類，主要分為信息采集、行為分析、識別定位等。信息采集主要使用傳感技術對養(yǎng)殖環(huán)境進行監(jiān)測，如溫濕度、各類有害氣體等；豬只行為分析使用機器視覺技術、音頻分析技術來分析動物行為和預測身體健康狀況，識別定位通過RFID技術識別動物信息。根據(jù)監(jiān)測目的不同進行分類，監(jiān)測技術可以分為品種選育、疑似病識別預警和環(huán)境預警等。其中，對疑似病豬的識別以及預警主要通過圖像、聲音、個體數(shù)據(jù)等來判斷，品種的選育主要通過對豬的日常行為中的異常行為來實現(xiàn)，其次考慮豬個體的活體背膘厚等指標進行優(yōu)種選育。環(huán)境預警通過分析環(huán)境中不利于豬生存及福利的因素來實現(xiàn)，從而起到杜絕疾病或豬異常行為發(fā)生的作用。

本文從豬行為監(jiān)測技術角度進行歸納、研究、分析音頻分析技術、機器視覺技術、無線傳感器網(wǎng)絡技術及RFID技術在畜牧信息智能化監(jiān)測應用中的現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展方向，以期為國內開展畜牧信息智能化監(jiān)測研究提供參考。

2 監(jiān)測技術

2.1 RFID自動監(jiān)測技術

RFID作為一種非接觸型自動識別技術，主要集中在采食量、引水量以及發(fā)情監(jiān)測三方面?？梢詫崿F(xiàn)多個目標的自動識別，具有數(shù)據(jù)儲存量大、精度高、可讀寫、抗干擾性強等特點，尤其是RFID產品成本低，在畜牧養(yǎng)殖中具備可行性。基于RFID的生豬行為監(jiān)測系統(tǒng)集成了RFID、計算機以及數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)對于豬只的自動識別，環(huán)境及個體數(shù)據(jù)采集和管理、數(shù)據(jù)智能分析等功能，包含自動識別技術、自動稱重技術、智能監(jiān)控技術、精準養(yǎng)殖控制技術等，從而實現(xiàn)對生豬行為的連續(xù)、準確、穩(wěn)定的全面監(jiān)測[2-12]。

國內外專家利用RFID進行監(jiān)測方面，常見的做法是將RFID讀寫器安裝在生豬水槽、食槽或豬欄的上方，從而記錄生豬飲食、飲水、母豬與公豬接觸行為的頻率和持續(xù)時間。例如國內的王軍等[2]、鐘芳葵[3]利用RFID建立生豬飲食行為的自動監(jiān)控系統(tǒng)，同時結合進食行為前后的體重變化實現(xiàn)自動采食監(jiān)控；國外的Brown Brandl等[4]建立生豬進食時間與體重變化、健康、環(huán)境變化之間的模型關系，利用RFID集中采集某一個階段內生豬進食時間長短的數(shù)據(jù)；Meiszberg等[5]研究采用水流量傳感器分析豬飲水行為，與人工觀察方法相比，準確度明顯上升。在此基礎之上，陸明洲等[6-7]結合RFID讀寫器，實現(xiàn)同時記錄飲水豬的飲水頻率及飲水量數(shù)據(jù)；Madsen等[8-9]和Kruse等[10]分別利用狀態(tài)空間模型和小波分析法為生豬飲水行為建模，研究生豬飲水行為，提出健康豬異常預警方法，預測疑似病豬、飼料質量和養(yǎng)殖環(huán)境等異常情況；德國的Kruse等[11]還研究了哺乳期母豬飲水飲食行為和數(shù)據(jù)，建立與仔豬增重的關聯(lián)。哥本哈根大學的Ostersen等[12]使用RFID記錄母豬接觸公豬的時間長短和接觸的次數(shù)，建立了母豬發(fā)情的自動監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內眾多的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個自組織無線網(wǎng)絡系統(tǒng)[13-14]。基于WSN的生豬監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳感器的節(jié)點可部署在養(yǎng)殖環(huán)境當中，用于監(jiān)測豬舍的環(huán)境，包括溫、濕度、二氧化碳、有害氣體以及聲音數(shù)據(jù)等。同時節(jié)點也可以附著在動物個體表面，實現(xiàn)對個體行為和個體信息數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，例如體溫、體重、心跳、呼吸、運動速度、加速度、運動方向等。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有低成本、低功耗、自動管理和高度協(xié)作性等優(yōu)點，適合應用于生豬的自動養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2.1 養(yǎng)殖環(huán)境信息監(jiān)測技術

養(yǎng)殖環(huán)境實時監(jiān)測的關鍵技術主要包含對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集融合及預處理、環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、環(huán)境預警三個部分。技術手段主要通過單片機、物聯(lián)網(wǎng)、自適應模糊神經網(wǎng)絡來實現(xiàn)自動化監(jiān)測和預警[15-16]。

2.2.1.1 基于PLC的環(huán)境監(jiān)測技術。關銘潔[17]設計了一種基于PLC和力控的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器對豬舍內溫濕度及環(huán)境空氣質量進行獲取和處理，實現(xiàn)了對豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和準確記錄、判斷。同時系統(tǒng)支持對水泵、風機、風扇等執(zhí)行設備開關的自動控制，具有很強的實用性和可靠性，能夠達到節(jié)約勞動力、提高養(yǎng)殖效益的目標，實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的智能化。

2.2.1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測技術。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測、信息處理以及信息傳輸三大主要方面。在基于傳感器網(wǎng)絡的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的技術發(fā)展中，面臨兩大問題，第一是傳感器節(jié)點部署問題，需要解決節(jié)點的覆蓋性和有效性，第二是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合問題。為解決這些問題，滕翠鳳等[18]針對生豬環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，提出一種分布式多傳感器體系結構和二級融合模型，主要將自適應加權融合算法與D-S證據(jù)推理理論融合，實現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)融合，克服了單傳感器監(jiān)測的不確定和不穩(wěn)定性，提高了環(huán)境監(jiān)測的精確度；俞守華等[19]結合小波變換與遺傳算法，減少測定有害氣體時傳感器間交叉敏感問題，提高氣體測定有效性，滿足了系統(tǒng)控制要求。

2.2.1.3 基于自適應模糊神經網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測技術。對于該技術，目前主要采用的是模糊控制算法[19]，優(yōu)點是利用專家的思維歸納總結出大量理論知識或豐富實際操作數(shù)據(jù)，缺點是缺乏在線自適應的能力[20]。為彌補這個缺點，基于神經網(wǎng)絡控制具有強大的自學習和自適應能力[21]，可以將模糊控制的推理規(guī)則和神經控制的學習能力結合在一起，實現(xiàn)豬舍環(huán)境的精確自動監(jiān)測和控制[22]。

2.2.2 基于個體信息的生豬監(jiān)測

個體信息監(jiān)測主要包括兩類：生理指標信息及動態(tài)行為監(jiān)測。

生理指標信息監(jiān)測方面，目前沒有非常有效的方法。其中體溫和呼吸是判斷動物生理健康狀況的重要指標，Danica等選擇插入式方法測量豬只呼吸道溫度，測量結果快速準確，但是這種方法必須在豬麻醉的情況下實施，不適合在養(yǎng)殖中推廣使用[23]。Andersen等人設計出豬只耳溫測量器，并建立出溫度與行為的關系模型[24]。Marloes等[25]設計了豬的體溫和呼吸頻率傳感器[26]。

動態(tài)行為監(jiān)測方面，核心研究是建立生豬行為模型。目前解決傳感器獲取數(shù)據(jù)與行為之間的聯(lián)系，采用的數(shù)學方法主要是基于三軸加速度值的行為模型：動態(tài)線性模型、爾曼濾波、K-均值聚類算法及支持向量機[27-29]。例如在發(fā)情監(jiān)測方面，通過采集母豬飲食量和使用加速度計檢測母豬跛腿等活動量情況，對發(fā)情的檢測正確率達75%，可減少高達15%的人工監(jiān)測[30]，另一種采用微處理器控制的紅外監(jiān)測系統(tǒng)，識別母豬發(fā)情的準確率達80%以上[31]。在母豬分娩監(jiān)測方面，母豬的筑窩行為和體溫變化是分娩時間推測判斷的主要依據(jù)，可以使用壓力傳感器以及光電傳感器分辨母豬的站立或躺臥行為[32]。Cornou等[33]利用固定在母豬頸部的三軸加速度傳感器和藍牙無線模塊采集數(shù)據(jù)，采用多進程卡爾曼濾波方法對母豬行為進行分類。劉龍申[34]利用無線加速度傳感器節(jié)點采集母豬產前運動信息，利用不同行為的加速度曲線波動性不同，采用K均值聚類算法對行為特征進行識別分析，檢測母豬躺臥、站立、吃料、筑窩等典型行為，正確率為87.93%。

2.3 基于視頻視覺技術的生豬信息監(jiān)測

在養(yǎng)殖福利的大環(huán)境下，由于基于機器視頻視覺技術可以無直接接觸，遠程連續(xù)記錄生豬個體及行為信息，能夠節(jié)省大量資源和時間，不僅在應用中具有獨特的優(yōu)勢，在研究領域也有較大價值。視頻監(jiān)測技術的核心，是通過圖像或視頻采集活動個體信息數(shù)據(jù)，構建動物行為模型。在數(shù)據(jù)采集的方法研究方面，普遍的做法是將監(jiān)控安裝于豬只行走通道旁[35]，或者利用架設于豬舍頂部的監(jiān)控攝像機[36]，以便于利用采集到的動物行為特征，識別出豬只的一般行為，包括進食、排泄、分娩、休息等。視頻監(jiān)測也可以為生豬異常行為、疾病監(jiān)測預警和環(huán)境調節(jié)提供參考，例如朱偉興等利用嵌入式監(jiān)控設備監(jiān)測豬只排泄行為，判斷疑似病豬的正確率為78.38%[36]，劉龍申等利用視頻圖像處理方法檢測母豬分娩行為，發(fā)現(xiàn)仔豬后及時通知飼養(yǎng)員[37]。除此之外，國內外研究者利用視頻圖像建立模型，估測生豬體重。中國農業(yè)大學騰光輝等[38]建立的豬的投影面積與體重的相關系數(shù)模型，劉同海[39]提出的基于神經網(wǎng)絡的豬體重估計模型，消除了線性回歸分析中自變量的共線性問題，得到較高的估測結果。在視頻處理方法方面，Shao等人[40]提出圈養(yǎng)豬紅外圖像分析方法，區(qū)分豬的睡覺姿勢與溫度的關系，對豬舍環(huán)境溫度調節(jié)起到了參考作用；Kashiha提出持續(xù)跟蹤豬只的標記方法[41]和圖像處理方法[42-43]，視頻監(jiān)測可以用來記錄豬只飲水量，精確度達到92%。Kashiha[44]將動態(tài)轉移函數(shù)模型與豬投影面積相結合，相比線性與非線性模型，可以得到更高的準確率。

但視頻圖像監(jiān)測技術依然存在很多問題，圈養(yǎng)豬只棚內監(jiān)測設備易受光照影響，視頻處理數(shù)據(jù)的準確性與視頻設備、拍攝范圍等物理條件息息相關，容易受到動物本身行為活動的影響，因此在變化的養(yǎng)殖環(huán)境中，如何獲取準確的數(shù)據(jù)是視頻監(jiān)測技術首要研究的問題。

2.4 音頻監(jiān)測技術

生豬叫聲是其生理、情緒健康狀況的外在表現(xiàn)，音頻分析技術可以利用聲音監(jiān)測生豬個體情況，實現(xiàn)疾病智能預警，個體健康、動物福利水平的自動評估。主要方法是將采集到相應代表情緒、疾病的音頻進行特征提取，建立出對應標準數(shù)據(jù)，構成模型庫，在實際圈養(yǎng)過程中對聲音進行采集并將待識別的聲音信號與參考模型數(shù)據(jù)庫匹配，實現(xiàn)對豬生理和情緒健康異常的準確把握。在群圈養(yǎng)豬的模式中，麥克風陣列可以用于聲音信號定位，以便于判斷符合病豬咳嗽的音頻特征的聲音來源[45]，提高對于患病豬識別的時間和效率，為養(yǎng)殖企業(yè)減少經濟損失。為了滿足動物福利養(yǎng)殖的要求，對于豬只的情緒識別，主要集中在提取母豬或者仔豬的不良情緒聲音特征的識別與監(jiān)測(例如恐懼、孤獨、饑餓等叫聲特征)，可保證豬只的情緒健康。除此之外，音頻監(jiān)測系統(tǒng)也有利于母豬和仔豬行為研究，運用母仔之間聯(lián)系的聲音信號。因此，發(fā)展音頻處理技術的最核心目標是從大量提取的聲音特征參數(shù)里，提取、建立并擴充音頻模型庫。另外，降低噪聲干擾以及環(huán)境變化對聲音的干擾也是后續(xù)研究中需要解決的問題。

3 結論

近年來，發(fā)達國家在智能化畜牧信息監(jiān)測技術領域已經有了較為豐富的研究成果，而中國的研究停留在初級階段。中國的智能監(jiān)測技術發(fā)展，應關注下列幾個問題：

第一，基礎是智能監(jiān)測設備的研究。研發(fā)針對不同行為的智能化監(jiān)測設備，一方面可以幫助判斷豬只健康狀況，另一方面可研究動物生長過程模型，所以利用檢測設備，采集準確數(shù)據(jù)有利于對豬只正常行為進行分析建模、對豬只異常行為及疾病提供預測預警；

第二，核心是豬行為/健康模型的研究。旨在從視頻、音頻、傳感器的大量數(shù)據(jù)和信息中建立映射關系，構造參考模型庫。模型的建立精確與否將決定監(jiān)測結果的準確度，有利于減少人工消耗，并盡量避免養(yǎng)殖業(yè)經濟損失。

第三，關鍵是綜合智能管理系統(tǒng)的研究。如何從采集的海量數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息，如何管理獲取到的大量信息，有待于未來研究。對于信息的綜合智能管理是一個交叉領域，不僅需要技術專家的支持，也需要畜牧業(yè)專家的指導。

總之，我國發(fā)展智能監(jiān)測技術研究，必須合理結合國外研究進展，發(fā)展具有中國畜牧業(yè)特色的智能控制技術和監(jiān)測技術，降低智能化成本和提高設備準確性及穩(wěn)定性，提高大規(guī)模養(yǎng)殖的經濟效益。